小学阶段,孩子们常会遇到一类有趣的数学题,通常被称为“建桥问题”或“最短路径问题”,这类题目往往涉及在河两岸的点之间建造一座桥,使得连接的总路程最短,初次接触,孩子可能觉得无从下手,但掌握核心思路后,就能迎刃而解。
理解问题的本质 的核心目标通常是:在一条“河”(或障碍)上选择最佳的建桥位置,使得从A点过桥到B点的总路程(A点到桥头的距离 + 桥的长度 + 桥尾到B点的距离)达到最小,关键在于桥的位置可以变动,需要我们找出最优的那个点。
核心解题策略:利用“对称”和“直线”
解决这类问题的精髓在于一个巧妙的转换思想:将折线路径转化为直线路径,具体步骤如下:
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平移河岸与点: 设想河有一定的宽度(桥的长度),将其中一岸(例如B点所在的岸)平行地向A点所在的岸方向移动,移动的距离正好等于河的宽度(即桥的长度),这样移动后,原来B点的位置会到达一个新的位置,我们称它为B'点。
想象:河变“窄”了,窄到宽度为0,而B点被“拉”到了对岸的对应位置B'点。
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连接直线: 连接移动前的A点与新位置B'点,画一条直线,这条直线段AB',就是理论上最短路径在“平移后平面”上的体现。
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确定桥头位置: 直线AB'必然会与原始的河岸线(A点所在的岸)相交于某一点,这个交点P,就是建造桥头(靠近A点一侧的桥端点)的最优位置。
为什么?因为此时路径 A -> P (桥头) -> (过桥) -> Q (桥尾,在B岸) -> B 的总长度,等价于 A -> P + 桥长 + Q -> B,由于平移操作,桥长 + Q -> B 的长度,正好等于 P -> B' 的长度,所以总路径长就是 A -> P -> B',而直线段AB'是所有连接A与B'的线中最短的,点P就是使总路程最短的桥头位置。
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确定桥尾位置: 从找到的桥头点P出发,垂直于河岸(因为桥通常是垂直于河岸建造的),在B点所在的岸上找到对应的点Q,这就是桥尾的位置。
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计算最短距离: 最短总路程就是直线段AB'的长度,在实际计算中,往往需要利用平移后的点B'的坐标,结合A点坐标,应用勾股定理来计算AB'的长度(即直角三角形的斜边),有时题目会直接给出相关线段的长度。
一个简单的例子说明
假设河宽10米(即桥长10米),A点在左岸,距离河岸线5米;B点在右岸,距离河岸线8米,且A、B两点沿河岸方向的水平距离是12米。
- 平移: 将右岸(B点所在岸)向左平移10米(等于河宽),平移后,B点也向左移动10米到达新位置B'点,B'点距离左岸河岸线的垂直距离仍是8米(因为平移是平行的),但它与A点的水平距离变为 12米 - 10米 = 2米。
- 连接直线: 连接A点和B'点。
- 计算最短距离: A点到B'点的直线距离就是一个直角三角形的斜边,这个直角三角形的两条直角边分别是:
- A点到左岸河岸线的距离:5米
- A点到B'点的水平距离:2米
- B'点到左岸河岸线的距离:8米
- 注意:A点垂直距离河岸5米,B'点垂直距离河岸8米,它们之间的垂直高度差是 |8米 - 5米| = 3米,水平距离是2米。
- 最短路径AB' = √(水平距离² + 垂直距离差²) = √(2² + 3²) = √(4 + 9) = √13 ≈ 3.606米。
- 重要提示: 这里的√13米是平移后A到B'的直线距离,它代表了实际最短总路程(A->桥头->过桥->B)。
家长和教师如何引导
- 动手画图: 鼓励孩子动手画示意图,清晰标出河、两岸、A点、B点,平移操作和找到B'点的过程务必在图上体现出来,视觉化是理解的关键。
- 强调“平移”思想: 反复解释“平移一个岸等于桥长”的物理意义:把过桥的这段固定长度“消化”掉,把问题简化为在同一个平面上找两点间最短直线。
- 理解“为什么是直线”: 巩固“两点之间线段最短”的公理,让孩子明白,通过平移,我们把原本需要“拐弯”(过桥)的路径,转化成了可以走直线的路径。
- 练习巩固: 从简单对称的情况开始练习(如A、B点到各自河岸距离相等),再过渡到不对称的情况,变化河岸方向(如斜的河岸)会增加难度,但核心思路不变。
- 联系实际(可选): 可以简单讨论下为什么现实中的桥有时不一定完全垂直河岸(涉及地质、水流等复杂因素),但在数学简化模型中,垂直建桥才能保证我们使用的这种对称平移方法的有效性,求得理论最短路径。
遇到的常见困惑点
- 平移方向搞错: 务必明确是将哪一岸向哪一岸平移,通常是将目标点(B点)所在的岸,向起点(A点)所在的岸平移桥的长度。
- B'点位置标错: 平移后,B'点与原始河岸(A点所在岸)的距离,应等于原始B点与其所在岸的距离(平移不改变点到其原所在岸的垂直距离)。
- 混淆实际路径与AB': 要强调AB'的长度代表的是总路程(A->P->桥->Q->B)的最小值,而不是实际地面上A到B的直线距离(因为中间隔着河)。
- 计算错误: 在构造直角三角形计算AB'时,找准两条直角边(水平距离差和垂直距离差)是关键,仔细画图标注坐标或距离。
掌握“平移+直线”这个核心策略,小学阶段的建桥数学题就不再是难题,它锻炼了孩子的空间想象能力、几何变换思维和应用勾股定理解决问题的能力,是数学思维训练中很有价值的一类题型,作为长期接触小学数学的教育工作者,我认为引导孩子理解并掌握这种“化折为直”的转化思想,其价值远超过解出某一道题本身,它培养的是一种解决问题的通用智慧。
理解题意并明确已知条件与未知量;接着分析题目中的数量关系并建立数学模型,然后列出方程式或不等式组进行求解计算得出答案并进行验证是否符合实际情况和逻辑规律即可解决问题了!